5G技術(shù)在智慧電廠中的研究和應(yīng)用

華能日照電廠 姜肇雨 郭永斌 朱 鋒 華能山東發(fā)電有限公司 李 杰

1 引言

5G技術(shù)就是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，具有低延時(shí)、高可靠以及高寬帶等優(yōu)勢(shì)，并且其與現(xiàn)階段的大數(shù)據(jù)、人工技能和云計(jì)算是緊密聯(lián)系的，且能夠有效推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的數(shù)字化進(jìn)程。5G技術(shù)與4G相比，其傳輸數(shù)據(jù)的速度得到顯著提升，并且具有實(shí)時(shí)性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全空間有效連接，因此在國(guó)家戰(zhàn)略性技術(shù)中占據(jù)重要位置[1]?；鹆Πl(fā)電在智慧制造和智慧能源領(lǐng)域占據(jù)重要位置，因此推動(dòng)5G技術(shù)在火力發(fā)電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，是其智能化發(fā)展的有力推手。

現(xiàn)階段，在我國(guó)電廠使用的網(wǎng)絡(luò)連接方式大多是有線形式，對(duì)無(wú)線連接的應(yīng)用較為有限，并且主要使用的無(wú)線技術(shù)為藍(lán)牙、4G以及WiFi等用于短距離通信的手段。其中，WiFi和藍(lán)牙在數(shù)據(jù)的傳輸上不僅速度慢，而且覆蓋面較小，因此在障礙物多、通信區(qū)域大的傳統(tǒng)電廠并不適用，而4G技術(shù)雖然與這兩者相比較在傳輸速度和覆蓋范圍方面得到有效改善，但其可靠性和時(shí)延仍然較大，導(dǎo)致無(wú)線技術(shù)在火電廠中的應(yīng)用和發(fā)展較為緩慢。5G技術(shù)的出現(xiàn)，有效應(yīng)對(duì)了無(wú)線通信技術(shù)在火電廠的應(yīng)用局限，因此能夠?yàn)橹腔垭姀S的高效發(fā)展提供有力支撐[2]。

2 5G技術(shù)和智慧電廠相關(guān)概述

2.1 5G技術(shù)

5G技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)是具有超高的頻率和頻寬，同時(shí)比4G技術(shù)快出一個(gè)數(shù)量級(jí)，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)作出了優(yōu)化，在時(shí)延方面更具優(yōu)勢(shì)，因此能夠高效滿足智能交通、虛擬現(xiàn)實(shí)、車輛網(wǎng)以及高清視頻等的需求。5G在傳輸速度方面能夠達(dá)到10Gbps，比4G技術(shù)提升了10～100倍。在容量方面，5G技術(shù)約提升了1000倍，其可以連接的設(shè)備數(shù)量比以往增加了約1000倍。在時(shí)延方面，5G技術(shù)能夠達(dá)到毫秒，特別是端到端方面，與以往相比減小了10倍。在頻譜方面，5G技術(shù)擴(kuò)大了5～10倍，在同樣的傳輸條件下，可傳送的數(shù)據(jù)比4G技術(shù)時(shí)期上漲了5～10倍。

2.2 智慧電廠

智慧電廠電網(wǎng)的智能化就是在智能化發(fā)電的基礎(chǔ)上，通過(guò)與其他產(chǎn)業(yè)的有效整合，逐漸形成一種循環(huán)型經(jīng)濟(jì)，并且其是以構(gòu)建集成高速雙線通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，借助傳感以及測(cè)量等先進(jìn)設(shè)備、方法、決策等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全、高效、可靠以及環(huán)境友好等發(fā)展目標(biāo)，以有效提升其對(duì)資源和能源的利用效率[3]。智慧電廠的突出優(yōu)勢(shì)主要為激勵(lì)和保護(hù)用戶、有效抵御外界攻擊、良好的自愈能力、滿足用戶的電力質(zhì)量需求、能夠接入不同的發(fā)電形式、能夠提升電力企業(yè)的運(yùn)行效率等。從綠色發(fā)展角度來(lái)看。智慧電廠能夠推動(dòng)清潔能源行業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)化石能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)我國(guó)綠色低碳發(fā)展。從創(chuàng)新方面來(lái)看，智慧電廠在能源技術(shù)平臺(tái)建設(shè)以及新技術(shù)、新業(yè)態(tài)和新模式的培育方面功不可沒(méi)。同時(shí)，智慧電廠還能促進(jìn)我國(guó)綠色、協(xié)調(diào)、開(kāi)放、共享以及創(chuàng)新等發(fā)展理念的貫徹落實(shí)。

智慧電廠的出現(xiàn)和發(fā)展解決了傳統(tǒng)電廠存在的問(wèn)題。首先，有效解決了以往電廠中存在的基礎(chǔ)集成問(wèn)題。智慧電廠主要是借助信息和數(shù)字技術(shù)，在物理電廠中集成有效地控制、通信、傳感和測(cè)量以及分析和監(jiān)測(cè)等現(xiàn)代化技術(shù)，為智慧電廠的構(gòu)建打下良好基礎(chǔ)。

其次，解決以往電廠在數(shù)據(jù)的利用和挖掘方面存在的不足。智慧電廠主要是采用人工智能和大數(shù)據(jù)疊加使用的方式，因此能夠在不借助人力支持的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)營(yíng)，主要通過(guò)對(duì)設(shè)備以及工藝信息的采集和監(jiān)測(cè)來(lái)對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行預(yù)警，促使工作人員能夠做到早發(fā)現(xiàn)、早處理，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，減少不必要的停機(jī)問(wèn)題。

再次，解決以往電廠在生產(chǎn)以及經(jīng)營(yíng)管理方面存在的信息碎片化現(xiàn)象。智慧電廠對(duì)各類數(shù)據(jù)信息實(shí)行的是統(tǒng)一化管理，通過(guò)跨區(qū)域數(shù)據(jù)中心的建造來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域信息的統(tǒng)一規(guī)劃和管理，促使各區(qū)域之間的信息傳輸更順暢、便捷，為大集控的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐。

最后，促進(jìn)智慧運(yùn)用和生產(chǎn)運(yùn)行的融合。智慧電廠通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能、生產(chǎn)要素的勘測(cè)和集成、虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真應(yīng)用以及安全生產(chǎn)等在生產(chǎn)過(guò)程中的嵌入，來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧應(yīng)用的落地。

3 智慧電廠的三維展示

伴隨科技和監(jiān)控技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)以煤炭為主要能源的發(fā)電廠逐漸開(kāi)始大范圍應(yīng)用智能化監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)和管理、安全預(yù)警等技術(shù)，電廠對(duì)這些技術(shù)的有效應(yīng)用能夠在一定程度上解決電廠在運(yùn)行中發(fā)生的各種問(wèn)題，進(jìn)而提升自身管理成效。但是傳統(tǒng)電廠由于受到自身?xiàng)l件限制，導(dǎo)致煤場(chǎng)的整體結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行直觀顯示，電氣結(jié)構(gòu)也不具備可視模型，同時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)也不能進(jìn)行兼容。鑒于此，本方案將借助三維動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，有效打通各個(gè)系統(tǒng)之間的信息孤島現(xiàn)象，以相對(duì)直觀、智能和動(dòng)態(tài)的方式展示電廠內(nèi)部的設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，以有效提升電廠的實(shí)際運(yùn)行和智能化水平。此應(yīng)用平臺(tái)主要是在主流B/S的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的三層構(gòu)架模式，主要分為綜合、核心和數(shù)據(jù)三層。

其中，核心層主要負(fù)責(zé)從不同類別的數(shù)據(jù)庫(kù)中采集所需要的信息，包括生產(chǎn)監(jiān)控、煤場(chǎng)輸煤、仿真文件以及三維地理等信息，并借助Ajax傳輸通道或者Request數(shù)據(jù)請(qǐng)求等方式見(jiàn)這些信息發(fā)送到應(yīng)用層[4]。應(yīng)用層則需要借助CityMaker三維展現(xiàn)控件，集合成各不相同的業(yè)務(wù)插件，以展現(xiàn)不同的功能和效果，需要注意的是，這三層平臺(tái)之間應(yīng)該是互相獨(dú)立的，同時(shí)又互相存在應(yīng)用上的邏輯關(guān)系，同時(shí)能夠?yàn)楹罄m(xù)擴(kuò)展提供支撐。智慧電廠的三維展示有以下幾方面：

3.1 電廠三維全景

應(yīng)用平臺(tái)借助兼具動(dòng)態(tài)性和實(shí)用性的三維數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)大量的三維數(shù)據(jù)采用分布方式進(jìn)行加載，以有效提升其在加載過(guò)程中的速度，達(dá)到全景瀏覽目的。用戶在使用過(guò)程中，可以依據(jù)自身興趣點(diǎn)，自行定義飛行路線，將多種格式的文件進(jìn)行輸出，然后通過(guò)任意點(diǎn)擊場(chǎng)景模型，顯示相關(guān)信息。

3.2 信息可視化展示

可視化平臺(tái)主要是借助三維技術(shù)，將電廠中監(jiān)測(cè)到的重要信息進(jìn)行可視化展示和分析。通常情況下，電廠對(duì)于信息的關(guān)注重點(diǎn)通常放在生產(chǎn)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控以及外圍環(huán)境等信息上。在制作三維模型時(shí)，需要依據(jù)相關(guān)信息，將攝像頭、構(gòu)筑物以及儀表等設(shè)備開(kāi)展簡(jiǎn)化處理，然后在后臺(tái)將模型的標(biāo)號(hào)和各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，促使用戶能夠借助監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行定位，也可以點(diǎn)擊相應(yīng)模型來(lái)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)相關(guān)信息。同時(shí)，用戶還能在三維模式中觸發(fā)不同的監(jiān)測(cè)信息，以全方位掌握廠區(qū)的實(shí)際運(yùn)行情況。

3.3 二維和三維系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)

此應(yīng)用平臺(tái)能夠在相同的場(chǎng)景中將二維和三維進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，平臺(tái)和系統(tǒng)在二維界面，并可以利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)和三維界面發(fā)生關(guān)聯(lián)，這個(gè)時(shí)候用戶只需要在二維界面中點(diǎn)擊相應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)與三維界面的互動(dòng)，有效彌補(bǔ)了三維模型中不能科學(xué)展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不足，將二維和三維的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在同一個(gè)平臺(tái)中展示出來(lái)，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。

3.4 智能監(jiān)測(cè)和預(yù)警

應(yīng)用平臺(tái)能夠?qū)v史監(jiān)測(cè)值依據(jù)分類條件進(jìn)行分別存儲(chǔ)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的有效對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上判斷其是否存在異常，最大限度降低由于外部因素帶來(lái)的數(shù)據(jù)變化，如果平臺(tái)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)差異值超出限定范圍，就會(huì)在三維模型中進(jìn)行標(biāo)記，并在系統(tǒng)中利用彈窗進(jìn)行提示。同時(shí)，所有的異常數(shù)據(jù)都會(huì)在信息庫(kù)中進(jìn)行合理保存，為用戶后期復(fù)查提供便利。

3.5 設(shè)備的拆裝模擬

首先平臺(tái)以部件圖為依據(jù)，來(lái)集中采集各部分零件的外形、尺寸、特征以及位置等信息，并建立設(shè)備初始信息數(shù)據(jù)庫(kù)。然后需要利用Solidworks軟件，在拆裝模擬演示中進(jìn)行部件功能的移植，通過(guò)服務(wù)器緩存的模型數(shù)據(jù)，在線查看拆裝演示。

3.6 互動(dòng)式操作模擬演練

應(yīng)用平臺(tái)能夠?qū)⒃O(shè)備復(fù)雜的運(yùn)行，以及操作流程等制作成三維模擬腳本，工作人員則需要在腳本樹(shù)的支持下加載相應(yīng)場(chǎng)景，然后利用虛擬技術(shù)，呈現(xiàn)真實(shí)的操作情境，借助三維交互方式，在相應(yīng)場(chǎng)景中開(kāi)展模擬演練，實(shí)現(xiàn)全部操作過(guò)程的仿真。同時(shí)，工作人員還能夠在平臺(tái)上對(duì)具體的操作行為進(jìn)行打分，還可以回放和詳細(xì)演示操作過(guò)程，提升培訓(xùn)成效。

4 5G技術(shù)在智慧電廠中的應(yīng)用需求及原則

4.1 5G技術(shù)在智慧電廠中的應(yīng)用需求

首先，在圖像識(shí)別和視頻數(shù)據(jù)方面。在智慧電廠的智能監(jiān)控設(shè)備以及故障遠(yuǎn)程診斷平臺(tái)中，對(duì)帶寬的要求較高，通過(guò)4G技術(shù)等無(wú)線手段不能有效保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的完整性，進(jìn)而影響對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)的分析。而在5G技術(shù)中，其平均帶寬保持在1Gbps，甚至在峰值的時(shí)候其速率能夠到達(dá)20Gbps，因此5G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)智慧電網(wǎng)中的高清晰度視頻數(shù)據(jù)的傳輸以及智能化圖片的識(shí)別等。

其次，在多終端通信和控制方面。智慧電廠中的智能巡檢系統(tǒng)在使用傳感器或者采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，現(xiàn)有的通訊形式不能有效滿足移動(dòng)終端的要求，因此造成巡檢系統(tǒng)的靈活性不足。而借助藍(lán)牙或者是4G等手段，其覆蓋范圍小，而且延時(shí)高，容易引發(fā)移動(dòng)終端的異常，為數(shù)據(jù)的傳輸以及采集帶來(lái)不利影響。而借助5G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的移動(dòng)性能和連接密度分別是500km/h和100萬(wàn)臺(tái)/km2，因此能夠在智慧電廠中進(jìn)行有效應(yīng)用，以保證數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性。

最后，在遠(yuǎn)程控制方面。由于傳統(tǒng)電廠的生產(chǎn)環(huán)境非常復(fù)雜，因此在不能有效鋪設(shè)電纜的大型設(shè)備中，可以使用無(wú)線技術(shù)，以有效減少安全意外事故的發(fā)生。此外，在對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制時(shí)，現(xiàn)有的通訊方式基本上是通過(guò)架設(shè)電纜加人工巡查的方式實(shí)現(xiàn)的。由于4G技術(shù)具有延時(shí)高的特點(diǎn)，因此對(duì)4G技術(shù)的應(yīng)用可能會(huì)影響通信質(zhì)量，進(jìn)而影響遠(yuǎn)程控制效果。而5G技術(shù)具有低延時(shí)的突出優(yōu)勢(shì)，因此其在智慧電廠中的應(yīng)用能夠促進(jìn)通信質(zhì)量和效率的提升。

4.2 5G技術(shù)在智慧電廠中的應(yīng)用原則

電廠是我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施，在其生產(chǎn)運(yùn)行期間必須要保證其安全性和穩(wěn)定性。因此，要求5G網(wǎng)絡(luò)必須具有較高的可靠性和安全性。在智慧電廠中，5G網(wǎng)絡(luò)要以專網(wǎng)的形式進(jìn)行組網(wǎng)，因此專網(wǎng)的建設(shè)必須符合電力防護(hù)要求，并進(jìn)行分區(qū)隔離，做好便捷防護(hù)，保證不進(jìn)行跨區(qū)直連，電廠數(shù)據(jù)不能進(jìn)行外溢。因此，5G技術(shù)在智慧電廠中的應(yīng)用原則可以總結(jié)如下：

一是必須具有較高可用性。用戶要想最大限度保障網(wǎng)絡(luò)可用性，需要堅(jiān)持始終使用這一網(wǎng)絡(luò)。

二是要有較高的可靠性。在智慧電廠中，5G技術(shù)需要具備在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，持續(xù)高效傳輸數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)需要有足夠大的容量和覆蓋范疇，還要有能夠自由進(jìn)行業(yè)務(wù)切換。

三是必須具有較高的服務(wù)質(zhì)量。QoS主要涉及抖動(dòng)、吞吐量、丟包率以及延遲等，同時(shí)還要在目標(biāo)區(qū)域中進(jìn)行全方位覆蓋，并保證在其覆蓋區(qū)域內(nèi)即使用戶發(fā)生快速移動(dòng)也能夠保證業(yè)務(wù)不被中斷。

四是必須具有較高的安全性。在專用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，需要保證端到端的安全性，以保證基礎(chǔ)的架構(gòu)、信息和人員的安全，同時(shí)可以使用網(wǎng)絡(luò)隔離、用戶身份驗(yàn)證、以及數(shù)據(jù)保護(hù)等辦法來(lái)保障核心資產(chǎn)安全，此外還需要擁有數(shù)據(jù)主權(quán)，以保證敏感信息在有效掌控中。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在綠色發(fā)展理念下，傳統(tǒng)電廠已經(jīng)不能滿足時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，因此要求電廠向著智能化和數(shù)字化方向發(fā)展，智慧電廠應(yīng)運(yùn)而生。伴隨5G技術(shù)的出現(xiàn)，其在智慧電廠的發(fā)展中占據(jù)越來(lái)越重要的位置，需要不斷探究其在智慧電廠中的有效應(yīng)用，以推動(dòng)智慧電廠的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。